凝析油處理系統能量利用方案優化研究

周軍 何能家 梁光川 文韻豪 黃文 侯洋

1.西南石油大學 2.中國石油規劃總院 3.西南管道重慶輸油氣分公司4.廣州石油培訓中心安全工程教學部

20世紀90年代以來，塔里木盆地相繼探明牙哈、吉拉克、英買力、迪那等13個高壓凝析氣田，累計探明凝析油地質儲量7 054.6×104t[1]，凝析油資源有可觀的開采價值。凝析氣藏具有較高的經濟價值，具有油藏和氣藏的雙重特性，是一種比較特殊和復雜的氣藏，其油氣體系一般具有高溫高壓的特點，其中所含凝析油一般為輕質油[2-7]。2013年,李昱江[8]對英買和迪那的油氣處理廠單位綜合能耗進行了計算，分別為4 178.75 MJ/104m3和1 030.8 MJ/104m3。同時，對英買天然氣的處理工藝進行了改進，提出了分子篩再生氣的預熱方案，降低了英買處理廠的單位綜合能耗。同年，馬國光等[9-10]的研究結果表明，由于中后期凝析氣田壓力遞減，不能滿足外輸氣烴露點的要求，提出了天然氣工藝“JT閥前增壓+丙烷制冷脫水脫烴工藝”的改進方案。2015年，吳云海等[11]對南八仙凝析氣田的原有天然氣工藝流程進行了優化。從已有的文獻可以看出，國內大多數研究都對天然氣處理工藝進行了改進或者優化，而對凝析油處理部分研究較少。

以典型的YM凝析氣田的凝析油處理系統為例，對YM凝析油處理系統能流進行分析，可知凝析油處理系統能量有較大的優化空間。YM處理廠的單位綜合能耗較高，能耗較大，其中凝析油處理系統在處理廠能耗中占比較大，是處理廠重要的用能單元。因此，對凝析油處理系統能量利用方案進行優化研究，提出可行的優化或者改造方案，對YM處理廠節能降耗具有重要意義，同時也對其他凝析氣田的凝析油處理系統的改造具有重要的借鑒意義。

1 凝析油處理系統用能分析

YM油氣處理廠從2007年開始投產使用，兩套凝析油裝置總設計處理量為1500 t/d[12]。目前，凝析油處理量為1081 t/d，凝析油進站溫度37.5 ℃，進站壓力10.6 MPa，進站凝析油組成見表1，具有輕質組分含量高、重質組分含量低的特點。根據已有凝析油組分，建立HYSYS模型，為凝析油處理系統的換熱計算提供依據。

凝析油處理系統的主要用能形式為燃料氣和電。其中，燃料氣消耗占比最大，主要用于導熱油爐供熱。電耗主要用于空冷器、洗鹽泵和凝析油塔底泵。根據現場調研得到的負荷參數，凝析油主要用能設施和用能負荷如表2所列。其中，電負荷為93.5 kW，熱負荷為1749 kW。

表1 凝析油進站組成Table 1 Condensate oil inlet components%組分摩爾分數組分摩爾分數C133.77C78.08C27.51C87.57C31.89C95.32n-C40.99C104.82i-C40.78C11+21.27n-C51.09N20.47i-C50.81CO21.99C62.95H2O0.69

表2 凝析油處理系統的主要用能情況Table 2 Main energy utilization of condensate treatment system主要用能形式用途用能設備單臺負荷/kW運行臺數/臺總負荷/kW電動力驅動、冷卻空冷器A-2030112.8225.6一級洗鹽泵P-2030122.3122.3二級洗鹽泵P-2030211.2222.4凝析油塔底泵P-2030311.6223.2氣供熱重沸器E-20303874.521 749.0合計91 842.5

根據SY/T 0605-2016《凝析氣田地面工程設計規范》的規定，凝析氣田的生產時間按350天計，燃料氣低位發熱量按氣田生產的天然氣36.03 MJ/m3計，得到凝析油處理系統的能耗占比如表3所列，重沸器能耗占凝析油處理系統能耗的94.93%，是主要的用能設施，也是節能降耗的主要目標，有必要對凝析油處理系統的換熱網絡進行分析。

表3 凝析油處理系統的能耗占比Table 3 Energy consumption ratio of condensate treatment system項目換算能耗/(104 MJ·a-1)比例/%能耗費用/(萬元·a-1)電282.75.0739.27燃料氣5 289.094.93150.07 注:電費按0.5元/(kW·h)計,氣費按0.79元/m3計,加熱爐效率0.85,管線熱損失0.1。

2 穩定系統工藝能流分析

根據現場的工藝參數，對凝析油處理系統的工藝流程進行模擬，選擇油氣水三相閃蒸計算精確性較好的Peng-Robinson方程[6]，得到其能流分布流程圖，如圖1所示。

由圖1可知，凝析油處理系統換熱形式較為簡單，工藝間換熱較少，主要有：

(1) 未穩定凝析油與穩定凝析油通過凝析油一級換熱器和凝析油二級換熱器進行兩次換熱。

(2) 導熱油與塔底凝析油通過凝析油穩定塔塔底重沸器換熱。

(3) 二次換熱后的穩定凝析油通過凝析油外輸冷卻器冷卻。

導熱油與塔底凝析油的換熱負荷由進料溫度及穩定凝析油質量標準決定。因此，在一定的組分和進料溫度下，不能減少換熱器熱負荷，但可更換為高效換熱器，提高換熱效率。在凝析油處理系統中,空冷器是必不可少的，且空冷器屬于冷公用工程負荷，減小二次換熱后的穩定凝析油與空氣換熱溫差，就能降低冷公用工程負荷。因此，降低進入空冷器的溫度，就能減少冷公用工程負荷的消耗，也能降低凝析油余熱量。

降低進入空冷器溫度的主要途徑是提高換熱器的換熱效率，一方面是更換高效換熱器，另一方面可減小冷熱端溫差。凝析油處理系統采用了管殼式換熱器，換熱后凝析油溫度約為98 ℃，余熱量資源豐富，余熱資源量為1 059.0 kW。經計算：一級換熱器的換熱效率為11.6%，冷/熱端溫差為61.71 ℃/72.54 ℃；二級換熱器的換熱效率為14.5%，冷/熱端溫差為52.09 ℃/64.60 ℃，換熱效率很低，冷熱流體溫差較大，在不改變流程的基礎上可以換高效換熱器回收余熱，提高系統的能量利用率。但僅換高效換熱器回收余熱，不能從根本上解決換熱效率低的問題。因此,需尋求更優化的工藝。

3 凝析油穩定系統工藝方案優化

根據凝析油處理系統能流分布流程圖(見圖1)可知，在原有凝析油穩定系統中穩后高溫凝析油的換熱設計流程中，高溫位熱流分別與高溫位冷流和低溫位冷流換熱，違背了順序換熱的原理，有效能損失增大，并且分股的比例不容易控制，當凝析油流量發生變化時，會使得凝析油穩定裝置在實際運行過程中的參數不穩定。因此需采用先進、高效的工藝，并合理改進流程，盡可能減少處理廠余熱的產生，合理回收余熱資源，提高能量利用率，減少運行費用。

對凝析油處理系統開展穩定凝析油與未穩定凝析油的換熱網絡優化研究，為使換熱網絡符合高溫位熱流與高溫位冷流、低溫位熱流與低溫位冷流換熱的原則，需增加系統的換熱次數。穩定系統中凝析油穩定塔為SPI(順排)型條形浮閥塔盤，實際塔板數為20，經調研，其操作溫度應小于125.4 ℃。改造后，凝析油穩定塔進料分為兩股，第1股直接從塔頂進料，第2股進料和穩定凝析油換熱后從第15塊塔板進料。

為了提高換熱效率，建議凝析油穩定塔采用寬通道板式換熱器進行換熱，凝析油的溫度、壓力、黏度和換熱介質均在寬通道板式換熱器的承受范圍內。寬通道板式換熱器如圖2所示。

改造流程中，凝析油一、二級換熱器(E-20401A、E-20402A)采用寬通道板式換熱器。同時,改變原有換熱順序和換熱位置，將新的凝析油一級換熱器(E-20301A)和凝析油二級換熱器(E-20302A)分別置于凝析油三級閃蒸罐(D-20303A)前后，利用出穩定塔后的高溫穩定凝析油先后通過凝析油二級換熱器(E-20302A)、凝析油一級換熱器(E-20301A)。第1股進料(塔頂)溫度低，在塔頂能起回流作用；第2股進料溫度高，第2進料位置約為凝析油穩定塔(T-20301A)的第15塊(共20塊)塔板，其功能相當于穩定塔增設了1個側線重沸器，大幅降低了凝析油穩定塔(T-20301A)的熱負荷。

4 凝析油穩定塔進料比例優化

凝析油三級閃蒸罐的溫度會影響穩定凝析油的產量，溫度越高，三級閃蒸氣越多，進入穩定塔的質量流量變少。因此，為了控制產量，控制三級閃蒸罐進料溫度約55 ℃，使凝析油一級換熱器(E-20301A)的換熱負荷穩定在271.5 kW，不會因進料比例而發生變化；而凝析油二級換熱器(E-20302A)的換熱負荷會受到第2股進料流量的影響。

根據以上分析，空冷器進口溫度和穩定塔重沸器負荷是決定穩定系統用能的關鍵因素，而重沸器操作溫度是控制安全生產的關鍵。為保證換熱后余熱量較小，同時起到給未穩定凝析油加熱的作用，對凝析油穩定塔兩股進料流量進行分股優化，以確定精確的比例。

通過HYSYS的案例分析模塊控制分流器的比例，得到在第2股進料物流(即從第15塊塔板位置的進料)不同比例下進入空冷器溫度、重沸器負荷、凝析油質量合格下的操作溫度、凝析油產量情況，以及不同比例下的凝析油二級換熱器換熱負荷，如圖3所示。

由圖3可知：

(1) 凝析油穩定塔第2股進料比例越大，在滿足凝析油質量標準的前提下，重沸器負荷越小，能耗越低。因此，第2股進料比例較大為好。

(2) 凝析油穩定塔第2股進料比例越小，重沸器的操作溫度就越低，且在比例較小時，溫度幾乎無變化，但當進料比例超過0.7時，變化明顯。當第2股進料比例為0.85時，重沸器操作溫度至少達到126 ℃才能滿足凝析油的質量要求，此時超過溫度操作范圍，從安全的角度考慮，重沸器操作溫度不應高于125.4 ℃，即第2股進料比例不宜超過0.85。

(3) 一級換熱器出口的穩定凝析油進入空冷器的溫度越低，余熱量就越小。因此，第2股進料比例較大為好。

(4) 隨著第2股進料比例的增大，凝析油產量在較小比例下變化不明顯(當第2股進料比例為0.1時，產量為960.2 t/d)；當進料比例大于0.45時，凝析油產量下降明顯，但整體幅度不大(當第2股進料比例為0.9時，產量為953.12 t/d)。因此，第2股進料比例對凝析油產量的影響較小。

(5) 第2股進料比例越大，凝析油二級換熱器負荷就越大，穩后凝析油余熱量就越小。因此，第2股進料比例較大為好，余熱利用率更高。

表4 穩定凝析油組成Table 4 Mole fraction of stable condensate%組分摩爾分數組分摩爾分數C10.07C714.97C20.58C814.19C30.70C910.01n-C41.11C109.09i-C40.66C11+40.17n-C51.79N20.00i-C51.28CO20.08C65.30H2O0.00

綜上，推薦第2股進料占比為0.8，第1股進料占比為0.2。此時不僅能使重沸器負荷較小、空冷器進口溫度低，達到節能降耗的目的，同時也達到了安全生產的要求。在此進料比例下，采用HYSYS模擬的穩定凝析油組成見表4。

5 能量利用優化結果與經濟分析

通過HYSYS模擬，在原有的進料組分、溫度和壓力下，改造后的換熱溫度分布如圖4所示，換熱后的凝析油穩定塔第2股進料溫度為122.5 ℃，進入空冷器的溫度為42.05 ℃，此時可停用空冷器(A-20301A)，以減小電耗。

經計算，改造后凝析油一級換熱器的換熱效率為74.6%，二級換熱器的換熱效率為97.5%，相比改造前一級換熱器的換熱效率11.6%和二級換熱器的換熱效率14.5%，均有很大提升。改造前后的凝析油穩定系統單套重沸器負荷從874.5 kW降至155.3 kW，兩套裝置共節省重沸器負荷1 438.4 kW，每年可節省燃料氣成本為95.4萬元，經濟效益相當明顯。同時凝析油穩定系統設備改造費用約為90萬元，投資回收期為1年。因此，本研究結果經濟效益明顯。凝析油穩定單元余熱利用方案模擬結果見表5。由表5可知，優化前后凝析油產量變化很小。

6 結論

(1) 凝析油處理系統的主要用能形式為燃料氣和電，其中燃料氣消耗占比最大。以YM凝析油處理系統為例，每年消耗的燃料氣約為150.07萬元。其中，重沸器能耗占凝析油處理系統能耗的94.93%，是主要的用能設施，也是節能降耗的主要目標。

(2) 在凝析油處理系統中，由于換熱網絡采用了高溫位熱流分別與高溫位冷流和低溫位冷流換熱的方式，違背了順序換熱的原理，熱損失較大。因此，對換熱網絡進行優化，符合順序換熱的原則，增加換熱次數，提高能量利用率。

(3) 凝析油處理系統現階段使用了換熱效率較低的管殼式換熱器，擬推薦使用高效寬通道板式換熱器。結果顯示：在順序換熱的基礎上使用寬通道板式換熱器，可使一級換熱器的換熱效率從11.6%提高至74.6%，二級換熱器的換熱效率從14.5%提高至97.5%，換熱效率提升明顯，值得在凝析氣田進行推廣應用。

(4) 重沸器能耗受進料比例的影響很大，在不超過重沸器操作溫度且滿足凝析油質量標準的前提下，凝析油穩定塔第2股進料比例越大，重沸器負荷就越小。經過優化分析，當第2股進料比例為0.8時，凝析油穩定系統單套重沸器從原有負荷874.5 kW降至155.3 kW，兩套裝置的重沸器負荷共減小1 438.4 kW，每年可節省燃料氣成本95.4萬元，經濟效益明顯，改造裝備的投資回收期為1年。

凝析油穩定系統是凝析氣田處理系統的重要組成部分，同時也具有較高的能耗占比。雖已對天然氣處理系統進行了優化或者改造，但忽略了凝析油處理系統。本研究通過對典型的YM凝析油處理系統進行調研分析，并對其換熱系統進行了優化，降低了裝置能耗水平，每年可節約燃料氣費用95.4萬元，可為其他凝析氣田凝析油處理系統的優化提供參考。隨著凝析氣田的進一步增產，節能降耗效果會更為明顯。